组合式凸轮轴加工工艺

组合式凸轮轴加工工艺摘要：本文介绍了组合式凸轮轴的结构特点及目前国内组合式凸轮轴的制造技术现状，并结合传统整体式凸轮轴进行了对比分析，为新产品开发及工艺制定的合理设计提供了可靠的依据。关键词：内燃机组合式凸轮轴加工工艺前言凸轮轴是发动机的重要零部件之一，凸轮轴的结构设计和加工质量的好坏，对发动机的性能起着极其重要的作用，随着发动机高速度、高输出功率、低燃油附加性、整车轻量化和低成本投入等的设计需求，对发动机零部件，尤其是凸轮轴提出了更高的设计要求，要求其结构紧凑、质量轻便、材料强度高、耐磨性好。而整体式凸轮轴一般为铸件或锻件，材料组成相同，各方面性能也相同，故无法达到以上的要求，而组合式凸轮轴无论从性能、成本，还是从质量方面均是理想的选择；目前国外应用数量已超过50%，但国内只有约10%。1.组合式凸轮轴结构特点1.1产品方面的优势1.1.1组合式凸轮轴由钢管、凸轮、齿轮、六方和端头构成，然后通过装配形成凸轮轴，由于以上各部分单体进行毛坯制造，故可根据配气机构对凸轮轴各个部位的性能要求不同进行分体优化材料，即在同一凸轮轴上合理选择不同的凸轮、端头与钢管材料；例如钢管可选冷拔薄壁无缝钢管，凸轮可选冷锻/粉末冶金/冷激铸铁等，齿轮、六方、端头可选粉末冶金。1.1.2由于钢管选用冷拔空心管，凸轮材料的优化及精密成型技术的应用，可使凸轮轴整体重量降低20%～40%，节约材料可达30%以上。1.2机械加工方面的优势1.2.1可实现柔性设计，柔性生产与敏捷制造：可实现凸轮相位角与轴向位置的控制、调整和修正，有利于新产品的设计与制造，缩短新产品的研制周期。1.2.2可针对不同零件采用最适宜的热处理技术与表面强化技术，因而可显著提高凸轮工作曲面抗点蚀能力和耐磨性，且可避免整体凸轮轴热处理过程中产生的变形。1.2.3可视具体材料及形状采用冷精密塑性成形、粉末冶金烧结、精密铸造等近净成形工艺成形凸轮，既能够节省工时，并可大幅度降低制造成本。2.组合式凸轮轴连接方法2.1组合式凸轮轴的连接方式较多，现仅针对目前国内轿车发动机组合式凸轮轴常用的三种连接方法进行介绍。⑴滚花式连接原理：在凸轮内侧加工出轴向沟槽，然后在钢管外圆滚花加工出圆周/轴向方向的沟槽（滚花后产生凸起），将钢管滚花部分压装到凸轮内径中，形成过盈配合，目前蒂森克虏伯（大连）公司和宁波圣龙公司采用该种装配方式。⑵热套式连接原理：装配之前先对过盈尺寸的凸轮进行加热（150-200℃），借以消除常温下的过盈量（约0.2mm过盈量），然后压入钢管中，常温下形成连接，目前德国埃马克公司采用该种装配方式。⑶机械扩管式连接原理：利用滑动滚压原理使得薄壁钢管在带孔的凸轮中发生局部的扩张，可以使用带有过盈量并穿过钢管内部的钢球，使内管发生塑性扩张；目前绵阳瑞安公司采用此种装配方式。2.2三种连接方法的优缺点对比滚花式靠装配槽实现装配，连接强度大，工作时不易打滑，但每个凸轮对应的钢管位置均需要切槽，生产效率较低。热套式装配设备简单、生产效率高，但是缺点是凸轮被加热，产生软化现象，耐磨性下降，且由于钢管导热使得初始与完了时的过盈量有变化，连接强度不易保持一致。机械扩管式装配前凸轮、钢管不需要精密加工，生产效率高，但钢管内侧通过钢球挤压变形产生过盈量，由于钢球推入初始与完了时磨损量有差异，过盈量存在变化，造成连接强度不一致。3.组合式凸轮轴的加工工艺3.1目前国内组合式凸轮轴生产厂家仅有宁波圣龙（滚花法）、绵阳瑞安（机械扩管法）、北内（韩国进口组合式凸轮轴毛坯），其他厂家如重庆西源（滚花法）、河南中汇（滚花法）正在建造生产线，因组合式凸轮轴制造工艺均类似，只是关键工序凸轮装配（装配机床）存在差异，现对工艺流程具体介绍如下：钢管淬火→钢管回火→钢管冷校直→凸轮装配→装配端头→扭矩试验→钻两端中心孔→研磨中心孔→粗磨轴颈→精车法兰→钻攻螺纹→精磨轴颈→精磨凸轮→去毛刺→抛光→探伤→清洗。3.2传统的整体式凸轮轴加工工艺与组合式凸轮轴相比，整体式凸轮轴工艺流程需粗、半精、精加工，设备投入多，铸件/锻件余量大，工艺复杂，产品更改时设备变动大，设备台数多，投入大，不利于扩产，铸件/锻件毛坯，余量大、生产成本高、料费率高。而组合式凸轮轴加工就存在明显优势，组合式凸轮轴工艺流程仅装配和精加工即可，工艺简单、设备投入少，近净形工艺成形凸轮，余量小或不需精磨凸轮，结构、工艺简单，利于调整轴向尺寸及凸轮相位角，工序少、设备台数少，可降低投资风险，采用粉末冶金等材料，加工余量小，减小了生产成本及料费率。4.结语作为凸轮轴的新型生产技术，组合式凸轮轴正越来越受到人们的关注，因为其加工技术符合精益生产原则，是高精度、高效率、高柔性、低成本的先进生产技术，是凸轮轴制造技术的发展和升级，是实现创新跨越的关键，在大力提倡环境保护、开发低能耗、无污染发动机，并使其达到成本低、轻量化的今天，组合式凸轮轴以其相应优势，可以广泛用于汽车、铁路、船舶发动机领域，发展前景十分广阔。参考文献：[1]张弛，杨慎华，寇淑清.装配式凸轮轴生产工艺及应用[j]汽车技术，2004（1）：32～34[2]寇淑清，杨慎华，赵勇，等.发动机装配式凸轮轴—极具竞争力的新技术[j].中国机械工程，2004，15（6）：474～477[3]上海通用汽车有限公司.2005汽车发动机工艺与装备（第十二届）国际研讨会系列（三）//装配式凸轮轴制造工艺[j].汽车与配件，2006（3）：18～20